專利名稱：一種大功率自冷式晶閘管閥及其安裝用車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高壓供電設(shè)施中的固態(tài)切換開關(guān)，特別是指固態(tài)切換開關(guān)中 的一種大功率自冷式晶閘管閥及其安裝用車。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展和人類對用電質(zhì)量要求的提高，中高壓大功率電力電子設(shè)備 必將得到廣泛地應(yīng)用。在電力電子設(shè)備領(lǐng)域中，晶閘管、絕緣柵極型功率管
(IGBT)、 二極管等電氣元件都主要工作在開關(guān)狀態(tài)，并在不同的動態(tài)和靜態(tài)過 程中進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換。而在轉(zhuǎn)換的每一個(gè)過程中，開關(guān)元件自身都會產(chǎn)生功率損 耗，因此發(fā)熱現(xiàn)象嚴(yán)重，如不能盡快借助散熱系統(tǒng)將熱量帶走，勢必影響開關(guān)元 件的正常運(yùn)行。如果散熱不及時(shí)或不完全，熱量聚集使得元件的溫度過高，芯片 的晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化進(jìn)而使元件失效，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致元件擊穿發(fā)生 短路。因此，在大功率電力電子設(shè)備的研制過程中，如何解決散熱問題應(yīng)當(dāng)被重 點(diǎn)考慮。
目前，用于晶閘管閥冷卻的方式主要有油冷、水冷、風(fēng)冷、熱管散熱和自然 冷卻。油冷方式通常應(yīng)用于大型系統(tǒng)中，由于其存在系統(tǒng)龐大、冷卻效率低、一 次性投入大、系統(tǒng)維護(hù)困難、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，因此很少被使用。在實(shí)際應(yīng) 用中主要采用水冷、風(fēng)冷和熱管散熱的方式。但是這三種散熱方式由于不能滿足 固態(tài)切換開關(guān)換流快、效率高、占地小的工作要求，因此其應(yīng)用范圍受到很大限 制。自然冷卻受晶閘管閥的運(yùn)行工況和晶閘管選型的限制較大，因此其應(yīng)用也不 多。
目前晶閘管閥體主要采用分離式結(jié)構(gòu)，將一組正反向并聯(lián)的閥通過散熱器組 裝到一起，然后根據(jù)每相需要串聯(lián)元件的數(shù)量連接。其中，散熱器采用普通的鋁 型材，整個(gè)閥體采用通風(fēng)散熱系統(tǒng)。分離式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便于組裝生產(chǎn)，模塊化 清晰簡單，便于維修和更新組件。其缺點(diǎn)是設(shè)備體積大，引線較長，分布參數(shù)過 大，可能影響整個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)性能。目前分離式結(jié)構(gòu)晶閘管閥一般采取臥式固定 結(jié)構(gòu)，需要專門的閥室安裝，因此還有不易于維護(hù)和器件更新等缺陷。 發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本實(shí)用新型的目的是提供一種占地小、方便移動的大功率自 冷式晶閘管閥。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案 一種大功率自冷式晶閘管 閥，其特征在于單相晶閘管閥體包括兩個(gè)晶閘管閥串和對稱分布的絕緣拉桿、 法蘭、散熱片、高電位觸發(fā)板、取能磁環(huán)、高壓送能電纜和多個(gè)固定螺母；每兩 個(gè)晶閘管通過所述散熱片上的軟電纜，正反向并聯(lián)連接組成一個(gè)晶閘管閥單元； 多個(gè)所述晶閘管閥單元并聯(lián)直立疊加組成晶閘管閥串，所述散熱片間隔壓裝在每 層所述晶閘管閥單元之間，兩個(gè)所述晶閘管閥串正反向并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)單相晶閘管 閥；所述絕緣拉桿兩端分別由所述固定螺母緊固在上下二所述法蘭之間；所述高 壓送能電纜通過所述高電位觸發(fā)板的取能磁環(huán)接入晶閘管閥體中；所述單相晶閘 管閥體通過二動觸頭輸入、輸出電流，其中一個(gè)動觸頭輸入電流，另一個(gè)所述動 觸頭輸出電流，所述二動觸頭與所述晶閘管閥體通過銅排固定在一起，所述銅排 通過所述法蘭固定在所述絕緣拉桿的上下兩端，所述銅排上裝有連通所述散熱片 的軟銅片。
所述絕緣拉桿為耐高壓高機(jī)械強(qiáng)度的硅脂復(fù)合材料。 所述軟銅片一端連接所述銅排，另一端連接所述散熱片。 所述晶閘管閥的散熱設(shè)計(jì)采用瞬態(tài)功耗、瞬態(tài)熱阻進(jìn)行熱分析和熱計(jì)算。 所述晶閘管閥的電源輸入端通過軟電纜連接一活動接頭。 所述晶閘管閥的底部設(shè)置有一個(gè)以上的絕緣子。
一種用于安裝權(quán)利要求1所述的大功率自冷式晶閘管閥的安裝用車，其特征 在于車體包括一臺面和一背板，所述臺面上對應(yīng)所述晶閘管閥底部絕緣子的位 置設(shè)置有安裝孔，所述背板上部設(shè)置有與單相晶閘管閥體數(shù)量相對應(yīng)的絕緣子。
所述車體上間隔設(shè)置有絕緣板，將每個(gè)所述單相晶閘管閥體分開。
所述絕緣板采用環(huán)氧樹脂板制成，用尼龍螺釘固定在所述車體上。
本實(shí)用新型由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型由于采 用將晶閘管閥元件、保護(hù)電路、散熱元件有機(jī)的整合到一起的設(shè)計(jì)方法，使得晶 閘管閥體結(jié)構(gòu)緊湊，引線有效縮短，分布參數(shù)小，有利于晶閘管閥的快速換流。2、 本實(shí)用新型根據(jù)晶閘管閥的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將晶閘管閥的散 熱方式確定為自冷式散熱，不需要外加任何冷卻設(shè)備，縮小體積降低成本，提高 了裝置的可靠性。3、本實(shí)用新型綜合考慮絕緣、通流能力、機(jī)械強(qiáng)度等因素，采 用借鑒于開關(guān)柜的手車柜式結(jié)構(gòu)，使得該裝置易于安裝維護(hù)和器件更新。

圖1是晶閘管閥電氣連接示意圖
圖2是本實(shí)用新型的閥體器件示意圖
圖3是本實(shí)用新型自冷式晶閘管閥體俯視示意圖
圖4是本實(shí)用新型晶閘管閥所在的固態(tài)切換開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)示意圖
圖5是本實(shí)用新型晶閘管閥所在的固態(tài)切換開關(guān)滿足切換條件時(shí)示意圖 圖6是本實(shí)用新型晶閘管閥所在的固態(tài)切換開關(guān)整個(gè)切換過程完成的示意圖 圖7A是本實(shí)用新型晶閘管閥安裝用車的正視示意圖 圖7B是本實(shí)用新型晶閘管閥安裝用車的側(cè)視示意圖 圖8是本實(shí)用新型晶閘管閥的手車安裝俯視示意圖具體實(shí)施方式
以下通過實(shí)施例并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的描述。 如圖1所示，固態(tài)切換開關(guān)包括單相晶閘管閥a和單相晶閘管閥b，連接在電 源wl與備用電源w2之間，在單相晶閘管閥a和單相晶閘管閥b之間連接負(fù)荷。 固態(tài)切換開關(guān)的工作原理是當(dāng)電源wl發(fā)生電壓波動時(shí)，單相晶閘管閥a斷開，單 相晶閘管閥b導(dǎo)通，負(fù)荷由備用電源w2供電。本實(shí)用新型是將兩個(gè)正反向并聯(lián)的 晶閘管組成一晶閘管閥單元，多個(gè)晶閘管閥單元直立疊加組成晶閘管閥串。兩組 晶閘管閥串正反并聯(lián)組成一單相晶閘管閥。針對現(xiàn)有技術(shù)組成固態(tài)切換開關(guān)的晶 閘管閥體積大、換流慢、分布參數(shù)大的問題，本實(shí)用新型采取壓裝式結(jié)構(gòu)，將一 組晶閘管閥單元與一組散熱片間隔設(shè)置壓裝為一體，多組間隔設(shè)置的晶閘管閥單 元與散熱片構(gòu)成晶閘管閥串，再組合安裝成單相晶閘管閥。針對現(xiàn)有技術(shù)的散熱 方式成本高的問題，本實(shí)用新型采取自冷式散熱，即按照設(shè)計(jì)的晶閘管閥工作狀 態(tài)，自冷散熱不需要外加任何冷卻設(shè)備。針對現(xiàn)有技術(shù)的臥式固定框架結(jié)構(gòu)，不 易安裝維護(hù)和器件更新的問題，本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了晶閘管閥的立式布置、手車柜 式安裝。
如圖2、圖3所示，單相晶閘管閥包括兩個(gè)晶閘管閥串以及兩列對稱分布的絕 緣拉桿l、法蘭2、散熱片3、高電位觸發(fā)板6、取能磁環(huán)7、高壓送能電纜8和多 個(gè)固定螺母9。每兩個(gè)晶閘管4通過散熱片3上的軟電纜，正反向并聯(lián)連接組成一 個(gè)晶閘管閥單元；多個(gè)晶閘管閥單元并聯(lián)直立疊加組成晶閘管閥串，散熱片3間 隔壓裝在每層晶閘管閥單元之間，兩個(gè)晶閘管閥串正反向并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)單相晶閘 管閥。在單相晶閘管閥底部還設(shè)置有兩個(gè)用于安裝固定并提供安全絕緣距離的絕 緣子5。
如圖7B所示，單相晶閘管閥上設(shè)置有二動觸頭112，每組單相晶閘管閥鄰靠 動觸頭112 —側(cè)的絕緣拉桿1的上下兩端均固設(shè)有銅排113，銅排113 —端通過軟 銅片(圖中未示出)與單相晶閘管閥上下兩端的散熱片3連接，實(shí)現(xiàn)銅排113和 散熱片3的軟連接，另一端則連接動觸頭112，將動觸頭112與單相晶閘管閥固定 在一起，電流從其中一個(gè)動觸頭進(jìn)入單相晶閘管閥，經(jīng)銅排、軟銅片導(dǎo)入單相晶
閘管閥閥體中，輸出的電流由散熱片3流經(jīng)軟銅片、銅排in，再到達(dá)另一個(gè)動觸
頭112輸出，保證了晶閘管閥的大電流通流能力。因此安裝在車體100上的三組 單相晶閘管閥共有6個(gè)動觸頭112，以與電源柜中設(shè)置的靜觸頭相對應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn) 電流的導(dǎo)入導(dǎo)出。
如圖4所示，單相晶閘管閥a兩端并聯(lián)有機(jī)械開關(guān)PSl，單相晶閘管閥b兩端 并聯(lián)有機(jī)械開關(guān)PS2。晶閘管閥元件和散熱片3之間的壓力滿足元件的導(dǎo)熱要求 (如壓力過大則會降低散熱效果)。絕緣拉桿l的分布情況如圖3所示，絕緣拉桿 1兩端分別由固定螺母9緊固在上下二法蘭2之間，晶閘管閥串通過法蘭2之間的 壓力壓裝。綜合機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度考慮，絕緣拉桿1用耐高壓高強(qiáng)度的絕緣材 料制成，如硅脂復(fù)合材料。四組晶閘管閥串分兩排壓裝在六個(gè)絕緣拉桿1中間。 高壓送能電纜8通過高電位觸發(fā)板6的取能磁環(huán)7接入閥體電路中。高電位觸發(fā) 板6中設(shè)置有保護(hù)電路，為閥體元件提供過電壓保護(hù)。
如圖4 圖6所示，固態(tài)切換開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)，電源wl正常。負(fù)荷電流從機(jī) 械開關(guān)PS1中流過，晶閘管閥a中的晶閘管THl、 TH2不導(dǎo)通；當(dāng)滿足切換條件 時(shí)，先打開PS1，同時(shí)給TH1、 TH2發(fā)出觸發(fā)命令。當(dāng)PS1動作后，晶閘管閥a 兩端建立起正向電壓，TH1、 TH2就會立刻導(dǎo)通，負(fù)荷電流開始從PS1轉(zhuǎn)換到晶 閘管閥a。由于晶閘管閥a的快速導(dǎo)通，機(jī)械開關(guān)PS1很快熄??；當(dāng)檢測到晶閘管 閥a電流過零后，立刻觸發(fā)備用電源w2側(cè)的晶閘管閥b，使電流轉(zhuǎn)換到晶閘管閥 b的晶閘管TH3、 TH4上來；然后閉合機(jī)械開關(guān)PS2，負(fù)荷電流最后轉(zhuǎn)到PS2上， 從而完成整個(gè)切換過程。
根據(jù)晶閘管閥體的電氣設(shè)計(jì)要求，散熱設(shè)計(jì)要充分考慮晶閘管閥的工作狀態(tài)。 在實(shí)踐中半導(dǎo)體結(jié)需數(shù)秒或數(shù)分鐘才能達(dá)到與殼或環(huán)境溫度之間的穩(wěn)態(tài)條件，對 于微秒或毫秒級的功率脈沖，由于忽略了系統(tǒng)的熱響應(yīng)，使用穩(wěn)態(tài)熱阻并不能真 正反映系統(tǒng)的散熱情況，因此熱容的作用不能忽略?；谏鲜隹紤]，本實(shí)用新型 的散熱設(shè)計(jì)關(guān)注的是在短時(shí)間內(nèi)，晶閘管閥元件的最高結(jié)溫是否超過元件的最高 允許結(jié)溫，而不用去考核PN結(jié)的平均溫度，結(jié)合固態(tài)切換開關(guān)的快速切換設(shè)計(jì)特 點(diǎn)，本實(shí)用新型的晶閘管閥應(yīng)采用瞬態(tài)功耗、瞬態(tài)熱阻進(jìn)行熱分析和熱計(jì)算，從 而確定晶閘管閥的散熱方式為自冷式。
如圖2及圖7、圖8所示，安裝用手車的車體100包括一臺面110和一背板 120，車體100的寬度略小于電源柜的寬度，使手車可以推放入電源柜中。臺面110 上對應(yīng)三相電源安裝有三組單相晶閘管閥，各組單相晶閘管閥通過底部的絕緣子5 固定在臺面110上，臺面110上設(shè)置有安裝孔111，供固定絕緣子5。固定的方式 可以采用常用的螺栓螺固的方式，也可以采用其它固定方式。在背板120的上部
也設(shè)置有絕緣子5，通過銅排113與每一個(gè)單相晶閘管閥的固定螺母9 一一對應(yīng)固 定，使各組單相晶閘管閥被雙向固定在手車車體100上。由此，安裝在手車上的 三相晶閘管閥構(gòu)成一個(gè)活動開關(guān)，而且比普通機(jī)械開關(guān)的反應(yīng)速度快，具有換流 快、效率高、占地小、易于保養(yǎng)維修的優(yōu)點(diǎn)。
由于電源柜的尺寸有限，為了保證手車的體積足以能推入電源柜中，手車車 體110的寬度受到限制，使得車體110的安裝空間狹窄，三組單相晶閘管閥之間 相距較近，在高壓試驗(yàn)時(shí)，空氣絕緣的距離不一定能完全滿足絕緣要求，為了保 證三組單相晶閘管閥之間能獲得可靠絕緣，本實(shí)用新型在每組單相晶閘管閥之間 還設(shè)置有絕緣板(圖中未示)，絕緣板采用環(huán)氧樹脂板制成，用尼龍螺釘固定，實(shí) 現(xiàn)不同相的晶閘管閥串間的絕緣隔離。以上結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了自冷式晶閘管體的手車柜 式安裝。當(dāng)需要安裝晶閘管閥的時(shí)候，只需將晶閘管閥的小車推入，使閥體上的 動觸頭接觸系統(tǒng)中的靜觸頭，活動插頭插入電源插座中即可工作，具有使用便捷 的優(yōu)勢，而且可以減少固定裝置的設(shè)備，降低配置試驗(yàn)設(shè)備的成本。
綜上所述，本實(shí)用新型的大功率自冷式晶閘管閥首次將壓裝式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于自 冷式晶閘管閥，實(shí)現(xiàn)了該晶閘管閥體的立式布置、小車柜式安裝，截止目前在國 內(nèi)、外尚未見到相同或類似的技術(shù)。
權(quán)利要求1、一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于單相晶閘管閥體包括兩個(gè)晶閘管閥串和對稱分布的絕緣拉桿、法蘭、散熱片、高電位觸發(fā)板、取能磁環(huán)、高壓送能電纜和多個(gè)固定螺母；每兩個(gè)晶閘管通過所述散熱片上的軟電纜，正反向并聯(lián)連接組成一個(gè)晶閘管閥單元；多個(gè)所述晶閘管閥單元并聯(lián)直立疊加組成晶閘管閥串，所述散熱片間隔壓裝在每層所述晶閘管閥單元之間，兩個(gè)所述晶閘管閥串正反向并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)單相晶閘管閥；所述絕緣拉桿兩端分別由所述固定螺母緊固在上下二所述法蘭之間；所述高壓送能電纜通過所述高電位觸發(fā)板的取能磁環(huán)接入晶閘管閥體中；所述單相晶閘管閥體通過二動觸頭輸入、輸出電流，其中一個(gè)動觸頭輸入電流，另一個(gè)所述動觸頭輸出電流，所述二動觸頭與所述晶閘管閥體通過銅排固定在一起，所述銅排通過所述法蘭固定在所述絕緣拉桿的上下兩端，所述銅排上裝有連通所述散熱片的軟銅片。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于所述絕緣 拉桿為耐高壓高機(jī)械強(qiáng)度的硅脂復(fù)合材料。
3、 如權(quán)利要求l所述的一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于所述軟銅 片一端連接所述銅排，另一端連接所述散熱片。
4、 如權(quán)利要求l所述的一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于所述晶閘 管閥的散熱設(shè)計(jì)采用瞬態(tài)功耗、瞬態(tài)熱阻進(jìn)行熱分析和熱計(jì)算。
5、 如權(quán)利要求l所述的一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于所述晶閘 管閥的電源輸入端通過軟電纜連接一活動接頭。
6、 如權(quán)利要求l所述的一種大功率自冷式晶閘管閥，其特征在于所述晶閘 管閥的底部設(shè)置有一個(gè)以上的絕緣子。
7、 一種用于安裝權(quán)利要求l所述的大功率自冷式晶閘管閥的安裝用車，其特 征在于車體包括一臺面和一背板，所述臺面上對應(yīng)所述晶閘管閥底部絕緣子的 位置設(shè)置有安裝孔，所述背板上部設(shè)置有與單相晶閘管閥體數(shù)量相對應(yīng)的絕緣子。
8、 如權(quán)利要求7所述的大功率自冷式晶閘管閥的安裝用車，其特征在于所 述車體上間隔設(shè)置有絕緣板，將每個(gè)所述單相晶閘管閥體分開。
9、 如權(quán)利要求8所述的大功率自冷式晶閘管閥的安裝用車，其特征在于所 述絕緣板采用環(huán)氧樹脂板制成，用尼龍螺釘固定在所述車體上。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種大功率自冷式晶閘管閥及其安裝用車，其特征在于單相晶閘管閥體包括兩個(gè)晶閘管閥串和對稱分布的絕緣拉桿、法蘭、散熱片、高電位觸發(fā)板、取能磁環(huán)、高壓送能電纜和多個(gè)固定螺母；每兩個(gè)晶閘管通過散熱片上的軟電纜，正反向并聯(lián)連接組成一個(gè)晶閘管閥單元；多個(gè)晶閘管閥單元并聯(lián)直立疊加組成晶閘管閥串，散熱片間隔壓裝在每層晶閘管閥單元之間，兩個(gè)晶閘管閥串正反向并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)單相晶閘管閥；絕緣拉桿兩端分別由固定螺母緊固在上下二法蘭之間；高壓送能電纜通過高電位觸發(fā)板的取能磁環(huán)接入晶閘管閥體中；單相晶閘管閥體通過兩動觸頭輸入、輸出電流，二動觸頭與晶閘管閥體通過銅排固定在一起，銅排通過法蘭固定在絕緣拉桿的上下兩端，銅排上裝有連通散熱片的軟銅片。
文檔編號H01L23/34GK201207393SQ20082010842
公開日2009年3月11日 申請日期2008年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月30日
發(fā)明者于坤山, 兵 劉, 李志麒, 李金元, 王松岑, 平 荊, 藍(lán)元良 申請人:中國電力科學(xué)研究院